苏州市一次秋冬季典型PM2.5污染过程分析

周民锋，吴也正，魏 恒，杨 倩

(1.江苏省苏州环境监测中心，江苏 苏州 215004;2.江苏省环境保护空气复合污染监测重点实验室，江苏 苏州 215004)

1 引言

PM2.5(空气动力学等效粒径小于2.5 μm的颗粒物)是大气复合污染的重要污染物之一。PM2.5的来源分析受到广泛关注[1～4]，主要有两个方面的原因：一方面，PM2.5会损害人体健康，增加呼吸道系统疾病的发病率和死亡率；另一方面，PM2.5具有明显消光作用，会导致大气能见度下降。因此，开展城市地区的PM2.5组分和来源分析对保护人体健康和改善空气质量具有重要意义。

刘洋等[5]对安阳市冬季观测期间PM2.5污染特征进行分析及来源解析，发现燃煤源最高达29.8%，其次为工业源和机动车源。李昌龙等[6]对徐州市新城区大气细颗粒物组成及污染特征分析，发现该区域水溶性离子受移动源的影响大于固定源。金红红等[7]分析长沙市2019年12月一次重污染过程，发现各化学组分中二次无机盐和有机碳占比较高，且随着污染加重呈增大趋势，有机碳/无机碳比值平均为5.1，二次污染特征显著。林昕等[8]选取中国东部典型城市长春、北京、上海、杭州和南京作为研究对象，探讨PM2.5中水溶性无机离子浓度变化特征。张晓华等[9]结合2013年连续重污染过程细颗粒物中可溶性离子组分，发现可溶性离子组分占到细颗粒物组分的一半，可溶性离子又以硫酸盐、硝酸盐和铵盐为主要成分。污染过程的分析还有其他报道[10～12]。

苏州市PM2.5污染时有发生，尤其是进入秋冬季。对苏州市秋冬季典型PM2.5污染过程开展研究，探索城市尺度的内源污染成因分析方法，为今后在不利气象条件下精准地开展内源污染防治工作提供有力的技术支撑。

2 实验部分

2.1 仪器和试剂观测站点和时间

苏州南门观测站点位于苏州市区内马路9-2号(36.40°N，117.03°E)的4楼，观测仪器的采样口距地面约15 m，连续在线观测。该观测点周围为居民区，基本能够代表城区大气的环境特征。

2.2 采样分析仪器

PM2.5采用颗粒物分析仪(BAM1020)，测量原理为β射线法，配备动态智能加热装置。PM2.5中水溶性离子的在线测量使用美国的在线离子色谱(URG一9000)。该仪器由3个部分组成：大气粒子导入系统，主要由粒子切割器和抽气泵组成，主要功能是将PM2.5输送到粒子捕集器；PM2.5快速捕集器，为整个仪器的核心部分，主要由蠕动泵、蒸汽发生器、样品收集器、液体样品输送和转移部分组成，主要功能是将PM2.5快速捕集后送到分析系统检测；化学成分分析系统，主要为2台离子色谱仪(Dionex ICS-2100)。在线采样时间分辨率为60 min，进样时间分辨率为5 min，样品在线分析时间分辨率为27 min，阴离子系统采用梯度淋洗程序。

重金属采用在线重金属分析仪(Xact625)。该仪器的整个分析过程包括采样周期和测量周期。采样周期是环境空气中的颗粒物样品经过PM2.5切割头，在滤带上进行富集；测量周期是通过x射线荧光光谱仪(XRF测量模块)分析富集在滤膜上的样品，获得重金属的质量浓度。

单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS05系列)基本原理为，环境空气经PM2.5切割头后进入SPAMS监测，采用空气动力学透镜作为颗粒物接口，通过双光束测径原理进行单颗粒气溶胶粒径测量及计数，利用飞行时间质谱原理进行正负化学成分的同时检测，从而实现了单颗粒气溶胶化学成分和颗粒物粒径同步检测。

3 结果与讨论

3.1 污染过程

2020年11月1～4日，苏州市经历了一次秋冬季典型PM2.5污染过程。11月1日凌晨开始，PM2.5浓度显著升高，污染峰值出现在11月2日8时，苏州南门站点PM2.5浓度达130 μg/m3。11月3日凌晨 PM2.5浓度开始快速回落，从当日早上到11月4日，PM2.5浓度基本稳定在35 μg/m3(一级标准)以下(图1)。此次污染过程造成苏州市11月2日环境空气质量类别为轻度污染。

图1 苏州南门站点PM2.5浓度时间序列(11月1～4日)

3.2 天气条件

图2为2020年11月1日20时、2日2时、3日8时和4日14时地面天气图。由图2可以看出，1日夜间至2日受台风北抬的影响，华东区域处于鞍形气压场的控制，整体扩散条件明显恶化。1日夜间至2日白天，台风向东北方向移动，3日至4日鞍形气压场消失，扩散条件好转。

图2 11月1日至4日东亚区域地面天气

3.3 分析和讨论

南门站点位于苏州城区，具有很好的代表性。苏州监测中心利用南门的大气超级站在线监测数据，对上述污染过程开展溯源分析。

3.3.1 水溶性离子组分

11月1～4日期间，PM2.5组分监测结果有以下特征。从相关性分析来看，在各颗粒物组分中，铵根离子、硝酸根离子浓度与总体PM2.5浓度的时间序列相关系数R2最高，分别高达0.92和0.91。从变化趋势来看，11月1日上午，硝酸根离子在PM2.5中的质量浓度占比约为20%；11月2日上午，该占比上升到30%左右；11月4日上午，该占比又回落到15%左右。铵根离子在PM2.5中的质量浓度占比变化情况也与硝酸根离子相似。上述监测结果表明，本次污染过程中有大量二次无机颗粒物生成，主要以硝酸铵或者硝酸氢铵的形式存在。因此，二次无机颗粒物的生成是本次污染过程中颗粒物浓度升高的直接原因。

时间

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图3 S/N比值与PM2.5浓度时间序列

3.3.2 无机元素

相关研究表明[13～16]，交通活动中的轮胎磨损是大气颗粒物中锌组分的主要来源，元素锌一直被看作典型的交通源特征因子，而交通源也是城市中最主要的流动污染源。此次污染过程中，各无机元素组分中与PM2.5浓度相关系数最高的元素正是元素锌(Zn)，其浓度变化趋势与PM2.5高度一致(如图4)。11月1日至4日锌元素浓度日均值分别为0.17 μg/m3、0.26 μg/m3、0.10 μg/m3和0.07 μg/m3。整个过程中，锌元素浓度达到峰值出现在11月2日10时，达0.47 μg/m3。所以，交通源是此次污染过程中PM2.5浓度升高的主要来源。

3.3.3 单颗粒质谱

3.3.3.1 污染过程分析

此次污染过程，随着PM2.5质量浓度升高，整体各污染物数浓度均出现不同程度的增长，其中机动车尾气源占比在1～3日贡献从39.6%大幅度升高至49.3%(图5)。

下面对此次污染过程分为7个时段进行讨论。如图6所示，时段1至时段2，PM2.5质量浓度从29 μg/m3升至118 μg/m3，机动车尾气占比从39.6%升至46.3%，上升6.7%，相比其他源增幅最大；时段3至时段4，PM2.5质量浓度从68 μg/m3升至83 μg/m3，机动车尾气占比从47.3%升至49.3%，上升2.0%；时段5中，PM2.5质量浓度降至68 μg/m3，机动车尾气占比降至43.3%，下降6.0%；时段6中，PM2.5质量浓度升至82 μg/m3，机动车尾气占比升至43.8%，上升0.5%；时段7中，PM2.5质量浓度降至9 μg/m3，机动车尾气占比降至23.2%，下降20.6%。

在整个污染过程中机动车尾气源的占比皆有所升高，是影响空气质量的主要因素，除此之外，在时段3～5的污染过程中还受到燃煤源、扬尘和工业工艺等影响。

3.3.3.2 污染源时空分布

机动车尾气源整体变化趋势与PM2.5质量浓度较为接近，占比高值主要集中在1～3 m/s风速下点位偏西面和2～4 m/s风速下北面区域，与PM2.5质量浓度高值区域存在大部分重合，可见机动车尾气源是影响空气质量的主要因素(图7)。

(a) (b)

4 结论

5 措施建议

机动车保有量持续快速增长，对空气质量的影响日趋严重。针对典型污染日，制定落实一揽子交通源污染防治措施很有必要。一是不断加大对以重型柴油车为代表的移动污染源执法力度，尤其是对重点进苏路口实行全天候执法监管，禁止超标排放环境违法行为。二是多部门高效协作，全力开展好路面交通疏导和交通管理，及时消除各类交通安全隐患，最大程度减少机动车拥堵和怠速滞行。三是倡导绿色出行，打造低碳生活，加大电动公交车投运，提升群众公交出行的舒适度满意度，打造绿色环保的新型公交体系。